2.5. Адаптеры, контроллеры и иерархия подключений периферийных устройств

Компоненты компьютера соединяются друг с другом иерархией средств подключения, наверху которой стоят интерфейсы системного уровня подключения. Для этой группы интерфейсов характерно то, что в их транзакциях фигурируют физические адреса пространства памяти и (если есть) пространства ввода-вывода. Группа связанных между собой интерфейсов системного уровня образует логическую системную шину компьютера. Системную шину составляют следующие физические интерфейсы:

• шина подключения центрального процессора (или нескольких процессоров в сложных системах) – FSB (Front Side Bus – фасадная шина);

• шина подключения контроллеров памяти, оперативной и постоянной; собственно шина памяти (memory bus) системной уже не является, поскольку в ней фигурируют не системные адреса, а адреса физических банков памяти;

• шины ввода-вывода, обеспечивающие связь между центральной частью компьютера и периферийными устройствами.

Типичные представители шин ввода-вывода в IBM PC – шина ISA (отмирающая), а также шины PCI (развивающаяся в PCI-X) и PCI-E (PCI Express). Через шины ввода-вывода проходят все обращения центрального процессора (ЦП) к периферии. К шинам ввода-вывода подключаются контроллеры и адаптеры периферийных устройств или их интерфейсов.

Адаптер является средством сопряжения какого-либо устройства с какой-либо шиной или интерфейсом компьютера. Контроллер служит тем же целям сопряжения, но при этом подразумевается его некоторая активность – способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор. На эти тонкости терминологии не всегда обращают внимание, и понятия «адаптер» и «контроллер» считают почти синонимами. Для взаимодействия с периферийными устройствами процессор обращается к регистрам контроллера (адаптера), «представляющего интересы» подключенных к нему устройств.

Часть периферийных устройств (ПУ) совмещена со своими контроллерами (адаптерами), как, например, сетевой адаптер Ethernet, подключенный к шине PCI. Другие же ПУ подключаются к своим контроллерам через промежуточные периферийные интерфейсы, находящиеся на нижнем уровне иерархии подключений. Периферийные интерфейсы – самые разнообразные из всех аппаратных интерфейсов. К периферии, подключаемой через промежуточные интерфейсы, относятся большинство устройств хранения (дисковые, ленточные), устройств ввода-вывода (дисплеи, клавиатуры, мыши, принтеры, плоттеры), ряд коммуникационных устройств (внешние модемы).

Для взаимодействия с программой (с помощью процессора или сопроцессоров) адаптеры и контроллеры обычно имеют регистры ввода-вывода, управления и состояния, которые могут располагаться либо в адресном пространстве памяти, либо в пространстве портов ввода-вывода. Кроме того, используются механизмы аппаратных прерываний для сигнализации программе о событиях, происходящих в периферийных устройствах. Для обмена информацией с устройствами применяют также механизмы прямого доступа к памяти (Direct Memory Acces – DMA) и прямого управления шиной. Контроллер, который способен инициировать транзакции на системной шине, является активным компонентом компьютера. С помощью транзакций он может обращаться к другим устройствам (точнее, их контроллерам или адаптерам), обеспечивая равноранговое взаимодействие. Чаще всего ограничиваются взаимодействием контроллера с системной памятью (это проще).

Стандартная архитектура PC определяет набор обязательных средств ввода-вывода и средств поддержки периферии, включая систему аппаратных прерываний (i8259A), систему прямого доступа к памяти (i8237A), трехканальный таймер/счетчик (i8254), интерфейс клавиатуры и управления (i8042), канал управления звуком, память и часы CMOS. Также подразумевается, что все компоненты получают требуемое питание, что превращает весь этот набор компонентов в работоспособный компьютер. Конечно же, он должен быть дополнен периферией: дисплеем со своим адаптером, контроллерами шин периферийных устройств (ATA, SATA, SCSI, USB, FireWire), интерфейсов портов (COM, LPT, GAME ...), дисководов, аудиосредств и пр.

Любой PC-совместимый компьютер имеет следующие характерные черты:

• процессор, программно совместимый с семейством х86 фирмы Intel;

• специфическую систему распределения пространства адресов памяти;

• традиционное распределение адресов пространства ввода-вывода с фиксированным положением обязательных портов и совместимостью их программной модели;

• систему аппаратных прерываний, позволяющую периферийным устройствам сигнализировать процессору о необходимости исполнения некоторых обслуживающих процедур;

• систему прямого доступа к памяти, позволяющую периферийным устройствам обмениваться массивами данных с оперативной памятью, не отвлекая на это процессор;

• набор системных (стандартных) устройств и интерфейсов ввода-вывода;

• унифицированные по конструктиву и интерфейсу шины расширения (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI/PCI-X, PCI-E, PC Card, Card Bus), состав которых может варьироваться в зависимости от назначения и модели компьютера;

• базовую систему ввода-вывода (BIOS), выполняющую начальное тестирование и загрузку операционной системы, а также имеющую набор функций, обслуживающих системные устройства ввода-вывода.

Контрольные вопросы

1. Каковы особенности фон-неймановской архитектуры вычислительных машин?

2. Назначение CPU в ПК.

3. Назначение периферийных устроойств в ПК.

4. Иерархия подключений периферийных устройств.

5. Назначение устройств ввода-вывода и коммуникаций в ПК.